Reaktion der Mars-Ionosphäre während des Solarsupersturms im Mai 2024

Als ein entfernter Sonnensturm den Himmel über dem Mars erschütterte

Im Mai 2024 malte ein kolossaler Sturm auf der Sonne nicht nur seltene Polarlichter an den Himmel der Erde, er traf auch den Mars. Diese Studie zeigt, wie jener Ausbruch solarer Energie die elektrisch geladene obere Atmosphäre — die Ionosphäre — des Roten Planeten dramatisch umgestaltete. Indem die Forscher das Ereignis nahezu in Echtzeit mit umlaufenden Raumfahrzeugen beobachteten, dokumentierten sie die stärkste Verstärkung, die je in einer der wichtigsten Ionenschichten des Mars gemessen wurde, und lieferten neue Einblicke darin, wie Sonnenstürme Planeten ohne schützendes globales Magnetfeld beeinflussen können.

Durch die Marsluft lauschen

Um die Reaktion der Mars-Ionosphäre zu verfolgen, nutzten die Wissenschaftler eine Technik namens gegenseitige Radiookkultation, bei der ein Raumfahrzeug einen konstanten Radioton durch die Atmosphäre des Planeten zu einem anderen Raumfahrzeug sendet. Wenn das Signal den Rand des Mars streift, wird es abhängig von der Anzahl geladener Teilchen, durch die es hindurchgeht, gebogen und verzögert. Durch präzise Messung dieser winzigen Änderungen können Forscher ein vertikales Profil der Elektronendichte rekonstruieren — im Grunde genommen eine Schall- oder Dichtemessung der Ionosphäre, von etwa 80 Kilometern Höhe bis zu mehreren hundert Kilometern. Seit 2020 führen die Missionen Mars Express und ExoMars Trace Gas Orbiter solche Messungen etwa einmal pro Woche durch und bauen so schrittweise ein Referenzbild des ionosphärischen Verhaltens des Mars über Jahreszeiten und solare Bedingungen hinweg auf.

Der Supersturm trifft ein

Anfang Mai 2024 entlud die Sonne eine Serie intensiver Eruptionen: starke Flares, Ausbrüche hochenergetischer Teilchen und eine große Plasmawolke, bekannt als koronaler Massenauswurf. Diese Ereignisse erzeugten auf der Erde den stärksten geomagnetischen Sturm seit Jahrzehnten und störten kurze Zeit später auch die Plasmaumgebung am Mars. Am 15. Mai, nur zehn Minuten nachdem die Strahlung eines X-Klasse-Flare den Mars erreicht hatte, führten die beiden europäischen Raumfahrzeuge eine geplante Radiookkultation über der südlichen Region von Sisyphi Planum durch. Dieses glückliche Timing lieferte eine Momentaufnahme der Mars-Ionosphäre genau zu dem Zeitpunkt, als die Strahlung des Sturms ihren Höhepunkt erreichte, und erlaubte dem Team, dieses „Sturmprofil“ mit Dutzenden früherer, ruhigerer Beobachtungen unter ähnlichen Beleuchtungsbedingungen zu vergleichen.

Ein rekordverdächtiger Anstieg in einer verborgenen Schicht

Die auffälligste Änderung trat in der unteren der beiden Hauptionosphärenschichten des Mars auf, der sogenannten M1-Schicht, die sich in etwa 90–110 Kilometern Höhe befindet. Während des Sturms stieg die maximale Elektronendichte dieser Schicht auf etwa das 2,8-fache ihres Normalwerts — die größte jemals gemessene Verstärkung — und verschob sich dabei um rund 6,5 Kilometer nach oben. Die obere M2-Schicht, bei etwa 150 Kilometern, nahm nur um etwa 45 Prozent zu und hob sich in ähnlichem Maße an. Weiche Röntgenmessungen der NASA-Sonde MAVEN zeigten, dass die einfallende Röntgenenergie nur um ungefähr das Dreifache anstieg, weit weniger als ältere Theorien vorhersagten, die benötigte Energiemenge für eine so starke M1-Antwort. Diese Diskrepanz deutet darauf hin, dass frühere Modelle unterschätzt haben, wie effizient hochenergetisches Sonnenlicht „sekundäre“ Ionisationen auslösen kann, bei denen energetische Elektronen Kaskaden zusätzlicher Stöße und Ionisationen in der dünnen Marsatmosphäre in Gang setzen.

Erwärmung, Höhenwellen und das, was unverändert blieb

Über die verstärkte M1-Schicht hinaus hinterließ der Sturm weitere Spuren. Beide M1- und M2-Peaks lagen höher als zuvor, was auf Erwärmung und Ausdehnung der darunterliegenden neutralen Atmosphäre hindeutet — wahrscheinlich ein verzögerter Effekt des koronalen Massenauswurfs und der verbundenen Teilchenstörungen, die den Mars mehr als einen Tag lang durchgerüttelt hatten. In rund 245 Kilometern Höhe zeigte sich eine kleinere, aber deutliche Verstärkung, die die Autoren mit Instabilitäten in Verbindung bringen, wo der Sonnenwind an die obere Atmosphäre des Mars streift, oder mit Ionenströmen, die entlang verzerrter Magnetfeldlinien nach außen fließen. Gleichzeitig blieben manche Merkmale überraschend stabil: Der obere Teil der M2-Schicht war nicht stark komprimiert, die untere neutrale Atmosphäre unter etwa 100 Kilometern zeigte keine größeren Strukturveränderungen, und der generelle Abstand zwischen den M1- und M2-Peaks verschob sich kaum.

Warum das für zukünftige Marsmissionen wichtig ist

Für eine allgemeine Leserschaft lautet die Kernbotschaft: Die obere Atmosphäre des Mars ist gegenüber Sonnenstürmen deutlich sensibler als früher angenommen, insbesondere in ihrer unteren ionosphärischen Schicht. Ein Ausbruch von Sonnenröntgenstrahlung kann diese Region schnell verstärken, nicht nur durch direkte Ionisation, sondern auch über Ketten sekundärer Stöße, und die umgebende Luft erwärmen und aufblähen. Das Verständnis dieser Effekte ist entscheidend für die Planung künftiger robotischer und bemannter Missionen: Funkkommunikation, Navigationssignale und sogar atmosphärischer Widerstand auf Raumfahrzeuge können während solcher Stürme verändert werden. Diese Studie zeigt, dass wir mit regelmäßiger, hochpräziser Überwachung solche seltenen Ereignisse beobachten und unsere Modelle darüber verfeinern können, wie die Sonne die Umgebungen felsiger Planeten formt — heute den Mars und vielleicht morgen auch andere Welten.

Zitation: Parrott, J., Sánchez-Cano, B., Svedhem, H. et al. Martian ionospheric response during the may 2024 solar superstorm. Nat Commun 17, 2017 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69468-z

Schlüsselwörter: Mars-Ionosphäre, solarer Sturm, solarer Flare, Weltraumwetter, Radiookkultation